CC BY
35
УДК 691.33
Изотов В.С. - доктор технических наук, профессор
Е-mail: V_S_izotov@mail. ru
Ибрагимов Р.А. - аспирант
Е-mail: [email protected]
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ГИДРАТАЦИИ ЦЕМЕНТА С КОМПЛЕКСНОЙ ДОБАВКОЙ
АННОТАЦИЯ
В работе проведен анализ влияния новой комплексной добавки на особенности процесса гидратации и степень гидратации цемента в различных условиях твердения: естественное твердение, термовлажностная обработка, автоклавная обработка. Показано влияние комплексной добавки на физико-механические свойства цементно-песчаного раствора, твердевшего в различных условиях.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: добавки, ИК-спектроскопия, условия твердения, степень гидратации.
Izotov V.S. - doctor of technical sciences, professor
Ibragimov R.A. - post-graduate student
Kazan State University of Architecture and Engineering
FEATURES OF PROCESS OF HYDRATION OF CEMENT WITH THE COMPLEX ADDITIVE
ABSTRACT
In work the analysis of influence of the new complex additive on features of process of hydration and a degree of hydration of cement in various conditions herding is lead: natural herding, heat during hydration processing, autoclave processing. Influence of the complex additive on physic mechanical properties of the cement-sandy solution hardening in various conditions is shown.
KEYWORDS: additives, infra-red spectroscopy, conditions herding, a degree of hydration.
В настоящее время перед строительной отраслью остро стоит проблема обеспечения высоких функциональных свойств строительных материалов при условии минимизации материальных, энергетических и трудовых затрат. Основными направлениями совершенствования цементных композиций является энерго- и ресурсосбережение, улучшение технологичности, повышение прочности и долговечности. К сожалению, в России бетоны высокой прочности и долговечности недостаточно востребованы, но развитие рыночной экономики начинает изменять сложившуюся тенденцию на диаметрально противоположную. Основным акцентом в развитии бетоноведения становится не экономия какого-либо материала, например цемента, а получение качественных конкурентоспособных бетонов, к числу которых относят бетоны с высокой ранней и нормативной прочностью, с высокой долговечностью, а также все большее предпочтение отдается разработке комплексных добавок - полифункциональных модификаторов бетонных смесей и бетонов, позволяющих решать несколько задач [1].
Нами разработана комплексная добавка на основе гиперпластификатора и ускорителя твердения. В качестве гиперпластификатора использована добавка «Одолит-К», представляющая собой высокоэффективный концентрат пластификатора 1-ой группы с ускоряющим и самоуплотняющим действием на основе специальных карбоксилатов без содержания солей. Данная добавка производится ООО «Сервис Групп» по ТУ 5745-01-96326574-08.
В качестве ускорителя твердения использована добавка сульфата натрия (СН).
Предварительными испытаниями установлено оптимальное содержание компонентов комплексной добавки, которое составило: гиперпластификатор - 1 % от массы цемента, ускоритель твердения - 2 % от массы цемента.
Для установления влияния режима твердения цементно-песчаного раствора, модифицированного комплексной добавкой, на конечную прочность были проведены следующие
опыты. Изготавливались цементно-песчаные балочки размером 4х4х16 см составом цемент:песок = 1:3, часть образцов хранили 28 суток в нормально-влажностных условиях, часть образцов подвергали тепловлажностной обработке, часть образцов подвергали автоклавной обработке. В эксперименте применялся портландцемент Вольского завода М500 Д0 и портландцемент Ульяновского завода М400 Д20.
Тепловлажностная обработка проводилась по следующему режиму: 2 часа выдержка изделий, 3 часа - изотермический подъем до температуры 80 °С, 6 часов - изотермический прогрев, 2 часа -охлаждение.
Перед автоклавированием образцы 1 сутки выдерживались в форме, затем распалубливались и помещались в автоклав. Автоклавная обработка проводилась по следующему режиму: 3 часа -подъем температуры до 180 °С и давления 13 МПа, 6 часов выдержка при температуре 180 °С и давлении 13 МПа, 8 часов - охлаждение. Результаты экспериментальных исследований приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты экспериментальных исследований влияния условий твердения на прочность цементно-песчаного раствора
Прочность цементно-песчаного раствора
Содержание комплексной добавки, % в зависимости от условий твердения
№ п/п естественное твердение термовлажностная обработка автоклавная обработка
при при при изгибе при при при
изгибе сжатии сжатии изгибе сжатии
1 7.05* 49.04* 4.97 37.45* 9.22* 65.25*
4.98 34.45 3.78 28.25 7.23 47.45
2 3.1 9.91 79.33 7.46 59.85 14.44 87.35
7.21 57.66 5.88 37.45 9.88 66.35
Примечание*: над чертой приведены показатели для портландцемента Вольского завода; под чертой -портландцемента Ульяновского завода.
Результаты экспериментальных исследований влияния прочности на сжитие представлены на рис. 1.
термовлажностная естест. твердение автоклавная обработка обработка
□ без добавки не добавкой
Рис. 1. Влияние прочности цементно-песчаного раствора на сжатие в зависимости от условий твердения
Выявлено, что прочность на сжатие цементно-песчаного раствора с комплексной добавкой при пропаривании увеличивается на 32-60 %, при изгибе - на 55-50 %, при естественном твердении прочность при сжатии увеличивается на 67-62 %, при изгибе - на 44-41 %, при автоклавировании прочность при сжатии увеличивается на 39-41 %, прочность при изгибе - на 37-57 %.
Одной из возможных причин повышения прочности цементного камня, раствора и бетона при введении комплексной добавки следует считать увеличение продуктов гидратации, уплотняющих структуру цементного камня. В связи с чем произведена оценка степени его гидратации в зависимости от различных условий твердения.
Количество гидратированной воды определялось по соотношению интенсивности рефлексов негидратированных компонентов клинкера - алита, белита и рефлексов гидратных новообразований в виде гидрата окиси кальция и двухкальциевых гидросиликатов по кривым ДТА.
Результаты определения степени гидратации цементного камня приведены в табл. 2.
Таблица 2
Степень гидратации портландцемента
№ п/п Составы СГ, усл. ед.
1 Портландцемент с комплексной добавкой, подвергнутый автоклавной обработке 0.81
2 Портландцемент с комплексной добавкой, подвергнутый тепловлажностной обработке 0.67
3 Портландцемент без добавки, подвергнутый тепловлажностной обработке 0.54
4 Портландцемент без добавки, подвергнутый автоклавной обработке 0.65
5 Портландцемент с комплексной добавкой, твердевший в естественных условиях 0.74
6 Портландцемент без добавки, твердевший в естественных условиях 0.59
Результаты (табл. 2) показывают, что наиболее интенсивное увеличение степени гидратации цементного камня наблюдается при автоклавной обработке состава с комплексной добавкой, в то же время степень гидратации портландцемента без добавки также существенно увеличивается по сравнению с контрольным составом, твердевшим в нормальных условиях.
Степень гидратации цемента с комплексной добавкой при автоклавной обработке увеличивается на 37 %, при тепловлажностной обработке - на 13 %, при естественном твердении на 25 % соответственно по сравнению с составом без добавки, твердевшим в нормальных условиях.
Результаты исследования особенностей фазового состава продуктов гидратации цемента с комплексной добавкой методом ИКС приведены на рис. 2-4. ИК спектры образцов цементного камня снимались на инфракрасном Фурье-спектрометре Spectrum BX II по методу неполного внутреннего отражения с использованием в качестве внутреннего стандарта КВ.
Как видно из данных рис. 2-4, спектрограммы цементного камня характеризуются наличием нескольких специфических максимумов. Наличие максимума полосы поглощения при 900-1000 см-1 характеризует гидросульфоалюминат кальция, содержание которого располагается в следующем порядке возрастания: 3 состав, 6 состав, 4 состав, 5 состав, 2 состав и 1 состав. При этом более четкая разрешимость спектра с максимумом 1000 см-1 указывает на лучшую закристаллизованность ГСАК в присутствии комплексной добавки, особенно в составе, подвергнутом автоклавной обработке. Максимум поглощения при 1400-1600 см-1, а также широкая полоса спектра в области 3300-3500 см-1 свидетельствует о наличии субмикрокристаллов гидросиликатов группы тоберморита, содержание которых в образцах с комплексной добавкой выше, чем в составе без добавок. Хорошая разрешенность спектра в этих областях указывает на более высокую степень закристаллизованности отмеченных выше гидросиликатов кальция в присутствии комплексной добавки. Узкая, хорошо разрешимая полоса спектра поглощения с максимумом 3590-3650 см-1 характеризует наличие гидроксила гидросиликатов группы ксонотлита.
Рис. 2. Спектрограмма образцов цементного камня, твердевших в различных условиях. Усл. обознач. представлены в табл. 2
ега-1
Рис. 3. Спектрограмма образцов цементного камня без добавок, твердевших в различных условиях.
Усл. обознач. представлены в табл. 2
Рис. 4. Спектрограмма образцов цементного камня с комплексной добавкой, твердевших в различных условиях. Усл. обознач. представлены в табл. 2
Из представленных результатов видно, что наибольшее поглощение спектра наблюдается при частотах 900-1000 см-1, 1400-1600 см-1, 3590-3650 см-1. Однако наибольшая интенсивность линий спектра характерна для составов с комплексной добавкой, особенно при автоклавной обработке. Для составов без добавок интенсивность линий спектра располагается в следующем убывающем порядке: состав при автоклавировании, состав при нормально-влажностном хранении, состав при автоклавной обработке. Данное явление подтверждается степенью гидратации цемента, где в составе с комплексной добавкой наиболее гидратированным оказывается портландцемент, подвергнутый автоклавной обработке.
На рис. 5 представлены термограммы образцов цементного камня с изучаемой комплексной добавкой. Комплексный термический анализ выполняли на Термоанализаторе SDT Q600 фирмы TA Instruments. Держателем пробы служили платиновые тигли с крышкой, эталоном - прокаленный оксид алюминия. Анализ проводили в среде гелия, который подавали под кварцевый стакан, закрывающий термопару с образцом и эталоном.
Рис. 5. Термограмма образцов цементного камня, твердевших в различных условиях.
Усл. обознач. представлены в табл. 2
Первый весьма интенсивный эндоэффект с максимумом при температуре 110-125 0С отмечен на кривых ДТА образцов, как с добавкой, так и без неё, вызван удалением слабо связанной воды из гелеобразной массы цементного камня. Комплексная добавка способствует более глубокой гидратации силикатной фазы цемента, о чем свидетельствует увеличение эндотермических эффектов при 110-125 0С, 450-500 0С, 650-700 0С.
Полученные результаты подтверждаются физико-механическими свойствами цементно-песчаного раствора, подвергнутого различным условиям твердения. Так, например, в составе с комплексной добавкой при естественном твердении прочность на сжатие выше на 30 %, при изгибе -на 40 % состава, подвергнутого тепловлажностной обработке, и ниже на 14 % при сжатии, и на 31 % при изгибе состава, подвергнутого автоклавной обработке.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Изотов В.С., Соколова Ю.А. Химические добавки для модификации бетона. - М.: Изд-во «Палеотип», 2006. - 243 с.
2. Изотов В.С., Ибрагимов Р.А. Влияние добавок ускорителей твердения на свойства тяжелого бетона // Строительные материалы, 2010, № 3. - С. 35-37.
3. Изотов В. С., Ибрагимов Р. А. Физико-механические свойства тяжелого бетона, модифицированного новой комплексной добавкой. Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сборник статей VI Международной научно-технической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2010. - С. 33-35.
